核心概念
物理學
材料
壓縮
地質學
引言
夏天是在海灘上漫步，赤腳沿著海岸線行走的好時光。在這樣做的時候，你有沒有看過你在溼沙上的腳印？ 如果有的話，你可能會注意到，每走一步，你腳周圍的沙子看起來都會變幹。這是為什麼呢？ 這些乾燥的腳印是由你腳的壓力造成的。 你可以透過嘗試這個沙灘活動來確切地瞭解這是如何發生的！
背景
許多海灘是由沙子組成的，沙子來自——被水和風磨成微小顆粒的岩石。 像沙子這樣由許多獨立的微小顆粒組成的材料被稱為顆粒材料。 即使沙粒看起來是直接相互接觸的，由於它們是不規則的形狀，它們之間也有很小的空間。（想想一大堆更大的岩石之間也有類似的空間。）這些空間被稱為孔隙。 海灘上的所有沙粒之間都有許多孔隙。
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如果你把水倒在沙子上，水似乎消失在沙子裡了。 它實際上並沒有消失——它只是流入了顆粒之間的小孔隙中。 一旦所有這些孔隙都充滿了水，沙子就飽和了，這意味著沙子不能再吸收更多的水。 當你擠壓這些飽和的沙子時，你可能會預期沙子中的水會再次從孔隙中出來，類似於你擠壓溼海綿時發生的情況。 然而，事實並非如此。 情況恰恰相反。 似乎有更多的水消失在沙子裡了！ 造成這種情況的原因是一種叫做顆粒材料的膨脹性。
膨脹性是指當您擠壓（施加壓力）一種材料時，它會膨脹而不是收縮。 發生這種情況是因為在壓力下，沙粒實際上會稍微將彼此推開，從而在它們之間產生更多的空間。 這意味著有更多的空間讓水流入，從而在海灘上留下乾燥的腳印。 一旦壓力釋放，沙粒又會靠得更近，留給水的空間就更少了。 在這個活動中，你將展示這種溼沙效應——你甚至不必在海灘上！
材料
碗
沙子
水瓶（窄口）
兩個大氣球（理想情況下它們是透明的）
兩根透明吸管
兩個橡皮筋
紙
勺子
水
毛巾
可以容忍溢位的工作區
寬口塑膠水瓶（可選）
尺子（可選）
膠帶（可選）
記號筆（可選）
C型夾（可選）
兩塊廢木材（可選）
準備工作
用紙做成漏斗，將漏斗放入窄口水瓶的瓶口。 然後用勺子將沙子放入紙漏斗中，將水瓶完全裝滿幹沙。
給其中一個氣球充氣。 然後將氣球的頸部拉伸到水瓶的瓶口上。 將瓶子倒置，將沙子倒入氣球中。
一旦所有沙子都進入氣球，將氣球從瓶子上取下，讓剩餘的空氣排出。 現在氣球應該只裝滿沙子。
向氣球內的沙子中加水，直到沙子飽和並且不能再吸收任何水。（你可以使用你用於沙子的相同倒置瓶技術。）一旦沙子被水飽和，氣球內部的沙子應該從各個方向看起來都比較暗。 當你把水倒在沙子上時，水會流到哪裡？
當沙子飽和時，將吸管插入氣球的頸部足夠深，使吸管的末端在溼沙中。 用橡皮筋將吸管緊緊地固定在氣球的頸部。
用清水填充第二個氣球。 然後將第二根吸管插入氣球的頸部，使吸管的末端在水中。 再次用橡皮筋將吸管緊緊地固定好。
步驟
拿著裝滿水的氣球，抓住它與吸管連線的頸部。 將它放在碗的上方，以防溢位。 然後向吸管中加水，直到半滿。 你認為當你擠壓氣球時，吸管中的水會發生什麼？
用手稍微擠壓氣球。 觀察吸管內的水。 吸管內的水會發生什麼？ 你預料到會發生這種情況嗎？
把裝滿水的氣球放在一邊，拿起裝滿沙子的氣球。 再次向吸管中加水，直到半滿。 你認為這次當你擠壓氣球時會發生什麼？
用雙手儘可能地擠壓氣球。 觀察當你壓縮飽和的沙子時吸管內的水會發生什麼。 吸管中的水位是上升、下降還是保持不變？ 你能解釋你的觀察結果嗎？
現在釋放氣球上的壓力，並在觀察吸管中水位的同時稍微搖晃它。 水位會再次變化嗎？ 如何變化？
附加：嘗試一個更簡單的活動版本。 向一個寬口塑膠水瓶中加入沙子，直到四分之三滿。 加入水直到沙子飽和，並且沙子上方大約有四分之一英寸的水。 然後用手擠壓水瓶。 你注意到了什麼？ 在擠壓的同時，將水瓶倒置在碗上方。 你看到倒置瓶子時有水滴到碗裡嗎？ 然後停止擠壓瓶子並稍微搖晃它。 會發生什麼？ 現在不擠壓就將水瓶倒置。 這次有水進入碗中嗎？
附加：你還可以使用哪些其他的顆粒材料來演示溼沙效應？ 嘗試粘土、玻璃石或“魔術沙”。 你得到了類似的結果嗎？
附加：嘗試量化有多少水消失在沙子裡，這取決於你施加在氣球上的壓力。 將尺子放在吸管旁邊，並用記號筆每隔四分之一英寸做標記。 然後，不要用手對氣球施加壓力，而是使用纏繞在氣球中間的 C 型夾。 要對氣球的較大區域施加壓力，可以在連線 C 型夾之前，在氣球的每一側放一塊廢木材。 寫下每次轉動 C 型夾螺絲時水位變化的量。
觀察和結果
當你擠壓裝滿水的氣球時，你可能會看到水像你預期的那樣升起。 但是，當你擠壓裝滿沙子的氣球時，水位可能會下降，這似乎有悖常理。 發生這種情況是因為在壓力下，沙粒彼此推開得更遠，從而使沙子的體積膨脹。 這在沙粒之間產生了更多的孔隙空間，吸管內的水可以排入其中。
當你釋放沙子上的壓力並稍微搖晃氣球時，沙粒會回到它們之前的更密集的排列中。 因此，當沙粒之間的孔隙空間減少時，吸管內的水開始緩慢地再次上升。 這正是你在溼沙子上留下乾燥腳印時發生的事情。 當你的腳對下面的飽和沙子施加壓力時，沙粒會移動，這會產生更多的孔隙空間讓水消失。 你腳周圍的沙子看起來很乾燥。 當你移開腳——以及沙子上的壓力——水就會從沙子裡出來。
清理
將水從裝滿水的氣球中取出，並將兩個氣球（包括吸管）放入普通垃圾桶中。
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